“互聯(lián)網(wǎng)+”開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室改建方案研究

魏永濤 孫鑫鵬 張淑梅

摘? 要：為解決高校實(shí)驗(yàn)室無(wú)法24小時(shí)開(kāi)放、設(shè)備利用率低、學(xué)生借用儀器難的問(wèn)題，提高儀器使用效率，在分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，使用射頻識(shí)別技術(shù)和新型WiFi模塊，結(jié)合服務(wù)器和Android端手機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了一種新的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，能夠在不對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室格局進(jìn)行大幅改動(dòng)的情況下，基于現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生能夠查看空閑設(shè)備并預(yù)約使用;設(shè)計(jì)了相應(yīng)的管理辦法，提高了儀器使用率，將教學(xué)、實(shí)踐與創(chuàng)新進(jìn)行無(wú)縫連接。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+;開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室;管理系統(tǒng);Arduino Android

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）08-0065-04

Abstract： In order to solve the problem that university laboratories can't open 24 hours， equipment utilization is low， students borrow instruments is difficult， and the efficiency of instrument use is improved. Based on the analysis of existing literatures， using radio frequency identification technology and WiFi module， in combination with the server and Android software， this paper presented a new open lab management system. Enabling students to view idle devices and make appointments， the system also reserves interfaces for teacher propositions and student independent experiments， which can support the specified experiments and record project data automatically. The corresponding management methods have been designed to improve the utilization of instruments and to seamlessly link teaching， practice and innovation.

Keywords： internet plus initiative; open laboratory; management system; Arduino Android

前言

高校實(shí)驗(yàn)室是實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新的基地，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的主要陣地。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)室能夠進(jìn)一步提高自己的創(chuàng)新能力，教師可以在指導(dǎo)學(xué)生的過(guò)程中逐步提升自己的業(yè)務(wù)素質(zhì)。隨著越來(lái)越多的高校實(shí)驗(yàn)室向社會(huì)開(kāi)放，實(shí)驗(yàn)室還是學(xué)術(shù)交流和社會(huì)服務(wù)的關(guān)鍵所在，可以說(shuō)高校實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)、科研、社會(huì)服務(wù)以及人才培養(yǎng)的重要場(chǎng)所。

隨著實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)越來(lái)越受到重視，各校在經(jīng)費(fèi)投入、師資培養(yǎng)、教學(xué)質(zhì)量管理等方面都下足了功夫，其中，實(shí)驗(yàn)室的條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改善尤為明顯[1-3]。然而，盡管各高校對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理都有擬定相關(guān)的規(guī)章制度，但由于實(shí)際實(shí)施時(shí)存在的各方面問(wèn)題，高校普遍存在實(shí)驗(yàn)室資源利用率偏低的現(xiàn)象[4，5]，主要有以下兩方面客觀原因：

一是實(shí)驗(yàn)室所能提供的工位有限，有很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材同一時(shí)刻只能滿足一個(gè)人或一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的使用需要。而實(shí)驗(yàn)室的儀器占用狀況等信息缺乏一個(gè)有效的公開(kāi)渠道，這就導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材前有時(shí)侯人滿為患，而有時(shí)侯卻無(wú)人問(wèn)津的現(xiàn)象，造成了資源的浪費(fèi)。

二是申請(qǐng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的流程過(guò)于繁瑣，往往需要填寫紙質(zhì)申請(qǐng)書(shū)、遞交、等待被批準(zhǔn)后才能有資格進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，需有教師值守，效率低下。

截止2015年5月21日，我國(guó)高等學(xué)校累計(jì)達(dá)到2845所，每所高校下屬又有若干實(shí)驗(yàn)室。面對(duì)如此龐大的實(shí)驗(yàn)室群體，如果有一套行之有效的解決方案能合理地分配資源，使這些投入了大量資金建造的實(shí)驗(yàn)室得以最大化的發(fā)揮作用，那么將會(huì)給高校的教育、科研方面帶來(lái)巨大的好處。

現(xiàn)有研究成果多是基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)新建開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)[6-10]，但是在高校教學(xué)設(shè)備經(jīng)費(fèi)投入緊張的現(xiàn)狀下，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面重建并開(kāi)放存在著巨大的現(xiàn)實(shí)困難，本文提出使用射頻識(shí)別技術(shù)和新型WiFi模塊，結(jié)合服務(wù)器和Android端手機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了一種新的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，能夠在不對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室格局進(jìn)行大幅改動(dòng)的情況下，投入少量改造經(jīng)費(fèi)即可基于現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，具備普遍意義上的可行性。并且參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[11-13]中的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理辦法，制訂了與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)相適應(yīng)的管理和使用方案。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)和新型WiFi模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備管理的智能化、規(guī)范化、流程化。有效提高實(shí)驗(yàn)室信息化管理水平，最大程度的分配好高校實(shí)驗(yàn)室的資源，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守開(kāi)放使用。本系統(tǒng)分為硬件裝置、相關(guān)軟件、網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器三個(gè)部分。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

為了滿足不同類型的實(shí)驗(yàn)室需要，設(shè)計(jì)了門禁裝置和取電裝置兩大類硬件裝置，如圖2所示。其中門禁裝置放置于實(shí)驗(yàn)室門口，實(shí)驗(yàn)室管理人員和通過(guò)APP申請(qǐng)的學(xué)生可以通過(guò)刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的初步管理;電源裝置用于管理實(shí)驗(yàn)室里貴重、危險(xiǎn)抑或是數(shù)量稀少而需求大的設(shè)備，學(xué)生通過(guò)刷卡取電使用該設(shè)備，同時(shí)其他學(xué)生也可以在APP上查看該設(shè)備的使用狀態(tài)、預(yù)約使用該設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的精確管理。所有硬件裝置都與網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)器連接，接受服務(wù)器傳遞的數(shù)據(jù)、指令，并向云服務(wù)器反饋當(dāng)前該硬件裝置的狀態(tài)。

圖2 硬件裝置示意圖

（一）門禁裝置硬件設(shè)計(jì)

門禁裝置主要由單片機(jī)、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲(chǔ)芯片、WiFi模塊、電磁繼電器和電磁鎖等組成。

RFID讀卡裝置采用MFRC522芯片，MFRC522是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是NXP公司針對(duì)“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。

WiFi模塊采用ESP8266芯片模塊。ESP8266是一款低成本、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的完整Wifi網(wǎng)絡(luò)解決方案

單片機(jī)模塊選用以 ATmega328P作為核心芯片的arduino nano控制器。ATmega328P是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能AVR系列單片機(jī)。控制器通過(guò)io模擬spi與RFID讀卡裝置通訊，通過(guò)硬件串口與WiFi模塊通訊，通過(guò)推挽模式的io口控制繼電器從而實(shí)現(xiàn)電磁鎖的開(kāi)閉控制。

（二）取電裝置硬件設(shè)計(jì)

取電裝置主要由單片機(jī)、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲(chǔ)芯片、WiFi模塊、電磁繼電器和插座電源等組成。其中單片機(jī)、RFID讀卡裝置、EEPROM存儲(chǔ)芯片、WiFi模塊、電磁繼電器的硬件部分設(shè)計(jì)與門禁裝置類似，但電磁繼電器的控制對(duì)象由電磁鎖變更為插座電源。

（三）節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

由于部分實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備多，需要有較多取電裝置，考慮到每臺(tái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由最大負(fù)載用戶數(shù)量有限（理論上最大連接數(shù)為243條），可以將唯一的門禁裝置設(shè)置為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)連接無(wú)線路由器向外網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，極大減輕了實(shí)驗(yàn)室無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，整個(gè)聯(lián)網(wǎng)過(guò)程如圖3所示。

圖3 聯(lián)網(wǎng)方式示意圖

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的軟件部分則包含針對(duì)學(xué)生的手機(jī)APP、針對(duì)實(shí)驗(yàn)室管理者的管理程序兩部分。各部分詳細(xì)功能如圖4所示。

圖4 軟件功能示意圖

（一）學(xué)生APP軟件設(shè)計(jì)

學(xué)生通過(guò)APP向云服務(wù)器發(fā)送指令申請(qǐng)使用實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)儀器設(shè)備;同時(shí)，APP從云服務(wù)器得到數(shù)據(jù)，顯示各實(shí)驗(yàn)室的使用狀況與申請(qǐng)情況。考慮到試驗(yàn)設(shè)備的特殊性和高校實(shí)驗(yàn)室使用現(xiàn)狀，學(xué)生APP可以申請(qǐng)多人同時(shí)段共用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

（二）實(shí)驗(yàn)室管理軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室管理人員則通過(guò)管理程序批準(zhǔn)學(xué)生申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室的請(qǐng)求，并可以通過(guò)云服務(wù)器實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室各儀器設(shè)備的使用情況。本項(xiàng)目中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器扮演數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、處理中心、交換中心的角色。所有用戶軟件和硬件裝置上傳的數(shù)據(jù)都通過(guò)云服務(wù)器解析、處理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了自助申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室和自助排隊(duì)使用設(shè)備儀器的功能，如圖6所示。減少了實(shí)驗(yàn)室管理的人力投入，提高了效率。

四、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制

隨著高校教學(xué)制度的進(jìn)步，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室模式開(kāi)始逐漸普及。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室是面向?qū)W校全體師生開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)室，通常具有科研項(xiàng)目重、儀器多而雜、學(xué)生流動(dòng)性大等特點(diǎn)。本系統(tǒng)可應(yīng)用于開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的管理，具體流程如圖7所示。

（一）便捷的預(yù)約機(jī)制

學(xué)生可通過(guò)手機(jī)APP的查詢實(shí)驗(yàn)室的使用狀況、空閑時(shí)間等信息。并可以通過(guò)APP快速向管理員提交預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)室的申請(qǐng)。極大簡(jiǎn)化了預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的流程。

（二）減輕管理人員的工作量

實(shí)驗(yàn)室管理人員通過(guò)軟件批準(zhǔn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室儀器使用請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的高效化;通過(guò)門禁裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)出管理、通過(guò)電源裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的自動(dòng)化;通過(guò)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備使用狀況的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的簡(jiǎn)單化。減少了管理人員的工作量，減輕了開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室給管理人員帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

（三）便于數(shù)據(jù)采集和分析

本系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)數(shù)據(jù)（儀器設(shè)備的使用頻率，常用時(shí)段等）便于采集，并預(yù)留了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集接口，為教師命題、學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)預(yù)留了接口，能夠支持對(duì)指定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，可以為后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集提供接入條件。通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，管理者可以歸納出實(shí)驗(yàn)室更好的使用安排和設(shè)備調(diào)度方案。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備自助借用系統(tǒng)，在現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于云端資源和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室，以最低成本解決了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法24小時(shí)開(kāi)放、設(shè)備利用率低、學(xué)生借用儀器難的問(wèn)題。提高儀器使用效率，并采用項(xiàng)目化方式對(duì)學(xué)生入駐進(jìn)行管理，鍛煉學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，將教學(xué)、實(shí)踐與創(chuàng)新進(jìn)行無(wú)縫連接。

建立開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室能夠在根本上解決學(xué)校資源分配的矛盾，其中心作用是以最大的效率為學(xué)生們的課外電子制作與相關(guān)設(shè)計(jì)培訓(xùn)任務(wù)提供實(shí)驗(yàn)條件的支持，讓學(xué)生能夠隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)現(xiàn)自己的想法，而不用受限于老師是否值班，增加了學(xué)生們對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提升動(dòng)手能力，為學(xué)生們提供一個(gè)良好的實(shí)踐平臺(tái)。

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